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El mundo también funciona al revés: detectan electrones con masa negativa en un material

El mundo también funciona al revés: detectan electrones con masa negativa en un material

Un insólito experimento ha detectado el efecto de electrones con masa negativa, que se mueven casi sin resistencia en semiconductores. Este mundo al revés perfila un nuevo horizonte tecnológico.

Una gran colaboración científica internacional ha podido medir por primera vez el efecto de los electrones con masa negativa, mediante un experimento desarrollado en nuevas nanoestructuras de semiconductores.

Se trata de un descubrimiento relevante, porque la masa negativa es un tipo de materia hipotética cuya masa es de signo opuesto a la masa de la materia ordinaria. Eso significa que la materia puede tener masa negativa en el mismo sentido en que una carga eléctrica puede ser positiva o negativa.

La segunda Ley de Newton establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, e inversamente proporcional a su masa.

Pero si se modifica la segunda ley de Newton, considerando que la masa de un objeto es negativa, podría ocurrir algo sorprendente: al arrojar a un estanque una pelota de golf con masa negativa, no se ralentizaría por la fricción, sino que se hundiría más deprisa que una pelota con masa positiva. Es como el mundo al revés.

Es posible

Aunque resulta extraño, este fenómeno no es imposible, ya que existen pruebas de que la masa negativa podría existir en el universo, sin que eso suponga una violación de la Teoría de la Relatividad General, ya que la tiene contemplada en sus ecuaciones.

Incluso algunos físicos consideran que la masa negativa podría estar relacionada con la energía oscura, los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

La masa negativa se utiliza en ciertas tecnologías hipotéticas especulativas, como el viaje en el tiempo, la construcción de agujeros de gusano artificiales que se podrían atravesar, la deformación del espacio-tiempo y los viajes a velocidades superiores a la de la luz.

Tema relacionado: Crean por primera vez partículas con masa negativa y carga eléctrica

Efecto azul

Los autores de la nueva investigación, dirigida por Kai-Qiang Lin y John Lupton, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Regensburg (Alemania), utilizaron un nuevo tipo de material semiconductor para medir el efecto de los electrones con masa negativa: una única hoja atómicamente gruesa del diseleniuro de cristal de tungsteno (wolframio).

Cuando este material se irradia con un láser, comienza a brillar: un electrón absorbe la energía del láser y la emite de nuevo en el color característico del material, que es el rojo. Este color corresponde a la energía fundamental de un electrón en el semiconductor.

Sin embargo, el equipo observó un efecto asombroso: cuando se irradian con un láser rojo, los electrones de ese material emiten no solo luz roja, como se esperaba, sino que también muestran un tenue brillo azul.

Eso significa que la luz roja de baja energía se convierte en luz azul de mayor energía, un efecto extraordinario porque el semiconductor siempre debe brillar en rojo, explican los investigadores en un comunicado.

Un rayo láser rojo incide en el cristal atómicamente delgado, que convierte la luz roja del láser en un resplandor azul, clara huella de masa negativa. Felix Hofmann.

Electrones con masa negativa

Al observar de cerca la distribución del color y el brillo de esta luz azul, es decir, su espectro óptico, los investigadores han concluido que el brillo azul proviene de electrones con masa negativa.

Este hallazgo experimental inesperado puede sustentarse con cálculos cuánticos de la estructura electrónica del material, que los autores de esta investigación llevaron a cabo por primera vez.

Aunque el descubrimiento puede parecer una inútil rareza científica, los científicos ya tienen en mente una serie de posibles aplicaciones.

Por ejemplo, el concepto puede ayudar al desarrollo de ordenadores ultrarrápidos, porque los electrones se mueven casi sin resistencia (debido a su masa negativa, como la pelota de golf que se hunde más deprisa).

Singularidades

La transición de masa positiva a negativa, como ha ocurrido en este material semiconductor, también crea las llamadas singularidades (condiciones del espacio-tiempo donde las ecuaciones de la física dejan de funcionar), con potenciales aplicaciones tecnológicas.

Finalmente, debido al hecho de que los electrones en el semiconductor aparentemente pueden asumir niveles de energía discretos, como los que se dan en un átomo, debería ser posible transferir conceptos de óptica cuántica atómica directamente al semiconductor, según los investigadores.

Esto podría utilizarse, por ejemplo, para desarrollar nuevos componentes electrónicos que manipulen la longitud de onda de la luz, almacenen o amplifiquen la luz, e incluso que funcionen como interruptores ópticos.

Aunque en el pasado se ha observado comportamiento negativo de la masa en átomos de rubidio, esta nueva investigación confirmaría lo que se ha venido pensando en la última década: que algunos superconductores podrían mostrar también signos de masa negativa.

Referencia

Narrow-band high-lying excitons with negative-mass electrons in monolayer WSe2. Kai-Qiang Li et al. Nature Communications volume 12, Article number: 5500 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-25499-2

Imagen superior: Cock-Robin en Pixabay.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

3 comentarios

  • Hasta donde yo estudié, el ELECTRÓN, siempre tuvo MASA NEGATIVA. Así como el PROTÓN tiene MASA POSITIVA.
    ¿Nos estamos volviendo gilipollas?
    Sólo es una simple pregunta.

    • Camilo el electrón se ha considerado siempre de carga negativa. Apenas «recientemente», con los descubrimientos de la física cuántica, se viene a hablar de la masa negativa. Feliz día.

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